鋁電解石墨坩堝實驗裝置及實驗方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于職業(yè)學校實訓教具技術領域，涉及一種實驗裝置，特別涉及一種鋁電解石墨坩禍實驗裝置；本發(fā)明還涉及一種用該實驗裝置進行鋁電解實驗的方法。
【背景技術】
[0002]目前，鋁電解行業(yè)相關研究課題主要針對解決工業(yè)現(xiàn)場某一實際問題及需求，其實驗設備帶有明確的指向性，并不適用于大專院校教學實訓的需要。本發(fā)明旨在通過實驗設備模擬鋁電解槽基本參數(shù)的情況下，還原電解鋁過程中的電化學反應，并通過計算機系統(tǒng)記錄電壓、電流、溫度等主要參數(shù)供教學實訓之用。

【發(fā)明內容】

[0003]本發(fā)明的目的是提供一種鋁電解石墨坩禍實驗裝置，適用于大專院校教學實訓的需要。
[0004]本發(fā)明的另一個目的是提供一種用上述實驗裝置進行鋁電解實驗的方法。
[0005]為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所采用的技術方案是:一種鋁電解石墨坩禍實驗裝置，包括計算機、陽極導電桿、陰極導電桿、石墨陽極、石墨坩禍和殼體；殼體內設有加熱爐，加熱爐側壁上設有爐門，加熱爐底板上設有底部爐門的安裝口，底部爐門安裝于升降機構頂端，升降機構可驅動底部爐門上下往復移動；加熱爐頂部設有陽極導電桿安裝孔和陰極導電桿安裝孔，加熱爐頂部并排設有多個U形的第一硅碳棒，加熱爐頂部并排設有數(shù)量與第一硅碳棒數(shù)量相同的u形的第二娃碳棒，第一娃碳棒下端和第二娃碳棒下端均位于加熱爐的爐膛內，第一硅碳棒上端和第二硅碳棒上端均位于加熱爐頂部與殼體頂部之間的空隙內；所有第一硅碳棒組成第一硅碳棒組，所有第二硅碳棒組成第二硅碳棒組；加熱爐的側壁上分別設有側面觀察管、加氣管和熱電偶，使用時，使石墨坩禍位于第一硅碳棒組和第二硅碳棒組之間，陰極導電桿穿入陰極導電桿安裝孔內，陰極導電桿的下端與石墨坩禍相連接，陽極導電桿穿入陽極導電桿安裝孔內，并安裝石墨陽極，使得石墨陽極位于石墨坩禍內。
[0006]本發(fā)明所采用的另一個技術方案是:一種用上述的鋁電解石墨坩禍實驗裝置進行實驗的方法，具體按以下步驟進行:
步驟1:取鋁錠，使鋁錠鋪滿石墨坩禍的底面，然后，取出鋁錠，稱取鋁錠的質量，再將鋁錠鋪設于石墨坩禍底面上；再稱取3000克電解質；
步驟2:操作升降機構，使底部爐門下降，將石墨坩禍置于底部爐門上；操作升降機構，使底部爐門上升，至石墨坩禍的頂部與爐膛底部齊平，打開加熱爐側壁上的爐門，將步驟1稱取的電解質置于石墨坩禍內；將陽極導電桿插入陽極導電桿安裝孔，并將石墨陽極安裝于陽極導電桿下端，石墨陽極可上下往復移動；操作升降機構，使底部爐門繼續(xù)上升，直至底部爐門完全閉合，將陰極導電桿穿入陰極導電桿安裝孔，使陰極導電桿與石墨坩禍相連，石墨陽極位于石墨坩禍內，并不與石墨坩禍相接觸；
連通加氣管和保護氣發(fā)生器，將所有第一娃碳棒和第二娃碳棒均與電源相連接；將陽極導電桿和陰極導電桿分別與直流電源相連；
步驟3:關閉加熱爐側壁的爐門，通過計算機設置控溫參數(shù)、升溫速率和開度；
步驟4:閉合電源，使加熱爐以10?15°C /分鐘的升溫速率升溫，當溫度升至400°C時，通過加氣管向爐膛內輸送保護氣體，以相同的升溫速率將爐溫升至1000°C，恒溫保溫至少30分鐘，當鋁錠和電解質完全熔化后，通過計算機重新設定控溫參數(shù)，使爐溫恒定在950°C ±5°C，爐溫在950°C ±5°C恒定10分鐘后，將中心熱電偶插入到熔融的電解質內，測量中心溫度；若該中心溫度不符合950?970°C的要求，則通過計算機調整，使該中心溫度達到950?970°C，溫度調整過程中，每次調整后，恒溫至少10分鐘后，再測量電解質的中心溫度，直至中心溫度符合要求后，進入步驟5 ;若中心溫度為950°C?970°C，則進入步驟5 ;
步驟5:中心溫度符合要求后，用中心熱電偶作探尺，將其插入到石墨坩禍底部，迅速提出，冷卻后，測量熔融鋁液的高度和熔融電解質的高度；
步驟6:向下移動陽極導電桿，使石墨陽極與石墨坩禍底面相接觸；
步驟7:打開直流電源，將過流保護旋鈕調節(jié)到最大，然后調節(jié)電壓旋鈕使電壓值為1?10V，再調節(jié)電流旋鈕，將電流調為彡80A，使直流電源在恒流模式下工作；
步驟8:通過陽極導電桿提升石墨陽極，通過計算機記錄實驗電流和電壓隨石墨陽極與石墨坩禍底面之間距離變化而變化的數(shù)據(jù)；
步驟9:將石墨陽極置于熔融電解質液內進行電解，通過計算機記錄實驗數(shù)據(jù)；
步驟10:當熔融電解質液內氧化鋁含量低于1.5%，發(fā)生陽極效應時，通過計算機觀察電流、電壓的變化；
步驟11:分次向陰極坩禍內加入氧化鋁，每次加入氧化鋁后，充分攪拌后，再觀察電壓、電流的變化情況，氧化鋁的加入為每次5?10g ;
步驟12:可反復進行步驟11的操作，觀察對應的電壓、電流情況。但確認可以加速實驗時，首先關閉直流電源，并迅速將陽極提出電解質液面，停止加熱。當爐膛溫度高于600°C時仍可以持續(xù)的通入保護氮氣，既保護了石墨陽極、陰極又可以加速冷卻；實驗完成后必須將陽極提出電解質液面，防止冷卻后電解質凝固無法分離陽極和石墨坩禍。
[0007]本發(fā)明實驗裝置具有如下優(yōu)點:
1)通過實驗的方法模擬工業(yè)現(xiàn)場設備內的電化學反應，就可以探究出不同配方的電解質在固定條件下的差異，以供配方及研究使用。
[0008]2)通過自由調整陽極高度，了解電解電壓和電解電流的不同變化，通過觀察計算機記錄到的不同曲線，豐富教學內容。
[0009]3)通過理論計算，即當電解質中的鋁離子含量低于某一數(shù)值后將引發(fā)陽極效應，可以知道陽極效應發(fā)生的大概時間。由于實驗設備采用的電流較小，陽極效應發(fā)生時電壓上升不會太高，電能浪費較少，又可多次設置條件研究陽極效應發(fā)生的條件，為生產實踐提供一定的參考和指導。就可通過電解電壓和電解電流直觀的發(fā)現(xiàn)陽極效應發(fā)生時刻。這樣通過前期的理論計算安排和后期的實驗現(xiàn)象觀察，起到很好的教學作用，同時實驗數(shù)據(jù)也可為生產現(xiàn)場提供指導和參考數(shù)據(jù)。
【附圖說明】
[0010]圖1是本發(fā)明實驗裝置的示意圖。
[0011]圖2是進行電解實驗時石墨陽極放入熔融電解質中的示意圖。
[0012]圖中:1.側面觀察管，2.加氣管，3.第一硅碳棒，4.排氣管，5.上部觀察管，6.陽極導電桿，7.陰極導電桿，8.第二硅碳棒，9.石墨陽極，10.石墨坩禍，11.熱電偶，12.底部爐門，13.升降機構，14.殼體，15.加熱爐。
【具體實施方式】
[0013]下面結合附圖和【具體實施方式】對本發(fā)明進行詳細說明。
[0014]如圖1所示，本發(fā)明實驗裝置，包括計算機、陽極導電桿6、陰極導電桿7、石墨陽極9、石墨坩禍10和殼體14 ;殼體14內設有中空的耐火材料制成的加熱爐15，加熱爐15的側壁上設有爐門，加熱爐15的底板上設有底部爐門12的安裝口，底部爐門12安裝于升降機構13的頂端，該安裝口與底部爐門12相適配，升降機構13可采用螺桿螺母副結構，升降機構13可驅動底部爐門12上下往復移動；加熱爐15頂部設有陽極導電桿安裝孔和陰極導電桿安裝孔，加熱爐15頂部設有與加熱爐15爐膛相通的排氣管4，排氣管4的上端依次穿過加熱爐15頂部和殼體14頂部伸出殼體14外；加熱爐15頂部并排設有三個U形的第一娃碳棒3，加熱爐15頂部并排設有三個U形的第二硅碳棒8，所有的第一硅碳棒3組成第一硅碳棒組，所有的第二娃碳棒8組成第二娃碳棒組；第一娃碳棒3下端和第二娃碳棒8下端均位于加熱爐15的爐膛內，第一娃碳棒3上端和第二娃碳棒8上端均位于加熱爐15頂部與殼體14頂部之間的空隙內。加熱爐15的側壁上分別設有側面觀察管1、加氣管2和熱電偶11，觀察管1、加氣管2和熱電偶11均有一端伸入加熱爐15的爐膛內，觀察管1的另一端、加氣管2的另一端和熱電偶11的另一端均依次穿過加熱爐15側壁和殼體14側壁伸出殼體14外。使用時，通過升降機構13使底部爐門12下降，然后，將石墨坩禍10放置于底部爐門12上，再通過升降機構13使底部爐門12上升并進入安裝口內，與該安裝口密閉配合，底部爐門12位于第一硅碳棒組和第二硅碳棒組之間；
本發(fā)明實驗裝置用可升降的石墨陽極9和石墨坩禍10分別代替鋁電解工業(yè)現(xiàn)場使用的陽極炭塊和電解槽，并采用冰晶石一一氧化鋁熔鹽電解法進行實驗。同時，為了達到實驗要求的溫度，采用硅碳棒加熱進行升溫，不同于工業(yè)上的大電流啟動加熱。整個系統(tǒng)設計比生產現(xiàn)場電解槽成本大大降低，但又能達到同樣效果；石墨陽極9可人工升降，方便實驗時觀察陽極位于不同高度時的數(shù)據(jù)波動情況。
[0015]本發(fā)明還提供了一種用上述實驗裝置進行實驗的方法，具體按以下步驟進行: 步驟1:取適量鋁錠，使鋁錠剛好鋪滿石墨坩禍10的底面，然后，從石墨坩禍10中取出鋁錠，并稱取這些鋁錠的質量，記作Ml，稱量后將鋁錠鋪設于石墨坩禍10底部；再稱取3000克電解質(該電解質中含質量百分比為10%左右的氧化鋁，其余為冰晶石。后續(xù)步驟中不再添加氧化鋁，是為了盡快觀察到陽極效應，因為電解過程中將消耗氧化鋁，通常氧化鋁含量低于1.5%后將發(fā)生陽極效應)，電解質的質量記作M2 ;
步驟2:操作升降機構13，使底部爐門12下降，將石墨坩禍10放置于底部爐門12上的中央位置；操作升降機構13，使底部爐門12上升，至石墨坩禍10的頂部與爐膛底部齊平，打開加熱爐15側壁上的爐門，將步驟1中稱取的電解質置于石墨坩禍10內；將陽極導電桿6由上部插入陽極導電桿安裝孔內，使陽極導電桿6下端伸入到加熱爐15的爐膛內，將石墨陽極9從加熱爐15側壁的爐門放入加熱爐15的爐膛并旋緊于陽極導電桿6上，石墨陽極9可上下往復移動；操作升降機構13，使底部爐門12繼續(xù)上升，直至底部爐門12完全閉合，將陰極導電桿7穿入陰極導電桿安裝孔內，使陰極導電桿7的下端伸入加熱爐15的爐膛內，并與石墨坩禍10相連接，